Analisis struktur mikro lapisan bond coat NiAl thermal barrier
coating (TBC) pada paduan logam berbasis Co
Toto Sudiro
(1), Kusnandar
(2), Hubby ‘Izzudin
(3), Kemas A. Zaini Thosin
(4)(1),(2),(3),(4)
Pusat Penelitian Fisika,Lembaga Penelitian Indonesia (LIPI) Kompleks Puspitek Serpong, Tangerang
Abstrak
Kehandalan dan umur pakai sistem Thermal Barrier Coating (TBC) ditentukan oleh kestabilan lapisan bond coat dan thermal grown oxide (TGO). Sehingga sangatlah penting untuk memahami mekanisme pembentukan dan degradasi lapisan ini. Pada makalah ini akan dibahas analisis struktur mikro lapisan bond coat NiAl yang dideposisikan pada substrat CoCrNi dengan menggunakan gabungan metoda electroplating dan pack-cementation. Pada makalah ini juga dibahas mekanisme pembentukan void disepanjang interface bond coat-substrat setelah tes oksidasi.
Kata kunci: Struktur mikro, bond coat, thermal barrier coating, oksidasi, void
Abstract
Reliability and durability Thermal Barrier Coating (TBC) system are determined by stability of bond coat and thermal grown oxide (TGO) layer. Therefore, that is very important to know the formation and degradation mechanism this layer. This paper summarized the microstructure analysis of bond coat NiAl after isothermal oxidation which deposited to substrate CoCrNi by combination of electroplating and pack-cementation methods. Phenomena related to void formation between bond coat-substrate interfaces after isothermal oxidation were also described in the paper.
Keywords: Microstructure, bond coat, thermal barrier coating, oxidation, void
1. Pendahuluan
Sistem Thermal Barrier Coating (TBC) telah digunakan secara luas untuk melindungi komponen mesin turbin gas dan mesin pembangkit daya agar tahan terhadap panas dan lingkungan yang fluktuatif. Sistem ini berfungsi untuk mengurangi temperatur substrat dan meningkatkan daya tahannya terhadap korosi dan oksidasi [4] guna meningkatkan efisiensi turbin dan memperpanjang umur pakai komponen. Substrat yang biasanya digunakan sebagai bahan baku komponen mesin turbin gas dan mesin pembangkit daya berupa paduan logam berbasis nikel Ni dan kobalt Co [5].
Sistem TBC ini tersusun atas tiga lapisan seperti Gambar 1, terdiri dari keramik topcoat, thermal
grown oxide (TGO) dan lapisan bond coat pada
substrat paduan logam. Lapisan top coat berfungsi sebagai isolator panas dan TGO berfungsi sebagai lapisan tahan oksidasi dan perekat antara lapisan top
coat dan bond coat. Sedangkan lapisan bond coat
sendiri berfungsi sebagai pembentuk TGO dan memperkuat ikatan top coat dan substrat [2]. Dimana
reliability dan durability sistem TBC bergantung
pada lapisan bond coat sebagai lapisan cadangan Al untuk membentuk lapisan protektif alumina (TGO) [6]. Oleh karena itu, sangatlah penting untuk menjaga kestabilan kedua lapisan ini, baik dalam hal komposisi lapisan maupun cara mendapatkannya.
Pada makalah ini akan dibahas analisa strukturmikro lapisan bond coat NiAl thermal
barrier coating yang dideposisikan pada paduan
logam berbasis kobalt Co dengan menggunakan
gabungan metoda electroplatting dan
pack-cementation. Dimana analisis struktur mikro
ditekankan pada sampel yang telah dilakukan tes oksidasi pada udara statik bertemperatur 1150oC selama 100 jam.
Gambar 1. Ilustrasi tampang lintang sistem thermal barrier coating (US Patent 6,730,413 B2) 2. Dasar Teori
Seperti telah dijelaskan pada pendahuluan di atas bahwa ketahanan oksidasi lapisan bond coat
dipengaruhi oleh kemampuannya untuk membentuk lapisan protektif alumina Al2O3. Salah satu jenis
lapisan TBC band coat yang terus dikembangkan hingga saat ini adalah lapisan TBC NiAl, karena lapisan ini memiliki beberapa kelebihan diantaranya : memiliki titik lebur yang tinggi, densitasnya yang rendah dan tahan terhadap oksidasi. Kandungan Al dalam lapisan bondcoat akan berkurang seiring dengan pembentukan kembali lapisan alumina karena terkelupas (spallation) dan juga difusi-interdifusi Al ke dalam substrat yang dapat mengakibatkan turunnya sifat mekanik alloy substrat.
disepanjang interface bond coat-top coat pada saat lapisan ini dioperasikan pada service temperature (> 900oC). Kestabilan termomekanik lapisan protektif alumina dapat dipengaruhi oleh berberapa faktor, diantaranya : ketebalan lapisan, pertubuhan tekanan
(scale growth stress) dan pembentukan void
disepanjang interface TGO-bond coat [3]. Sehingga pengembangan sistem TBC modern saat ini, menitik beratkan pada bagaimana menghasilkan lapisan bond coat yang mampu membentuk lapisan protektif alumina α-Al2O3 secara alami, kontinu dan perlahan
(slow growing) dengan ketebalan tertentu, seragam
dan memiliki daya ikat yang optimal guna menghindari terjadinya kegagalan dini (spallation).
Pada saat ini belum ada metoda yang memungkinkan untuk mempelajari degradasi atau tingkat kerusakan dari suatu lapisan tanpa melepas komponen-komponen dari mesin, memotongnya dalam bentuk potongan kecil-kecil untuk kemudian dianalisa dengan metoda mikroskopi. Karena itu, penting sekali untuk menguasai dan meningkatkan pemahaman bagaimana mekanisme pembentukan lapisan dan mekanisme degradasi lapisan guna mendapatkan lapisan atau sistem TBC yang sesuai dengan kebutuhan.
3. Metode Penelitian
Bahan yang digunakan sebagai substrat dalam penelitian ini adalah paduan logam berbasis kobalt Co yaitu CoCrNi yang banyak digunakan untuk aplikasi bahan komponen mesin pesawat terbang dan mesin produksi energi. Komposisi kimia bahan CoCrNi tercantum pada Tabel 1. Adapun tahapan penelitiannya, seperti ditunjukan pada Gambar 2.
Pada persiapan sampel, substrat dipotong berbentuk plat berukuran 15x10x6 mm3 dan untuk
keperluan proses electro-plating pada sample diberi lobang berdiameter 1.5 mm untuk mengikatkan kawat platina. Sebelum dilakukan proses pelapisan, sampel digosok dengan kertas ampelas nomor 150 dan dilanjutkan dengan pencucian dengan agitasi ultrasonic dalam larutan USC aceton. Proses pembentukan lapisan alloy Ni-Al phasa adalah sebagai berikut:
1. Ni strike plating 1-2 µm, dimana Ni dilapiskan
pada substrat dengan metoda electro-plating
dengan menggunakan larutan NiCl2 dan HCl
pada sumber arus 500mA/cm2 dan selama ± 30 s pada temperatur ruang;
2. Dilanjutkan dengan pelapisan ± 38 µm Ni
dengan larutan Ni-Watts;
3.Difusi Al dilakukan dengan metoda
pack-cementation dengan media berupa serbuk
aluminium Al yang dicampur dengan serbuk Al2O3. Serbuk-serbuk tersebut di milling hingga
rata dalam waktu ± 1 jam dan ditambah 5 %wt NH4Cl. Sample kemudian dikubur dalam
campuran serbuk tersebut dan diberi perlakuan panas pada temperatur 800 oC selama ± 20 menit untuk membentuk lapisan NiAl yang berfungsi sebagai cadangan Al.
Setelah lapisan bond coat NiAl terbentuk, dilanjutkan dengan tes oksidasi pada udara statik 1150oC selama 100 jam. Selama tes oksidasi dilakukan pengamatan elemen oksida secara periodik dengan X-ray Diffraction (XRD) dan struktur mikro lapisan sebelum dan sesudah proses oksidasi diamati dengan Electron Probe Microanalyzer (EPMA) untuk mendapatkan profil konsentrasi masing masing elemen.
Tabel 1. Komposisi kimia bahan CoCrNi
4. Hasil dan Pembahasan
4.1. Pembentukan lapisan bond coat NiAl
Proses pembentukan lapisan bond coat NiAl pada substrat didasarkan atas campuran antarlogam
-NiAl seperti ditunjukkan pada Binary Diagram Phase Ni-Al (Gambar 3). Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa -NiAl dapat stabil pada rentang temperatur dari 400oC hingga 1638oC dengan komposisi 45-59% at Ni dan komposisi Ni akan mencapai maksimum 68% at pada temperatur 1400oC. Dimana struktur -NiAl yang diharapkan adalah berstruktur tetragonal yang dapat diperoleh dari bond coat NiAl dengan komposisi 61-68 % at Ni dan diberi perlakuan panas di atas 1000 oC.
Gambar 4 menunjukkan penampang lintang dari lapisan bond coat NiAl yang dideposisikan pada substrat berbasis kobalt Co dengan menggunakan gabungan metoda electroplating dan
pack-cementation. Dari gambar tersebut dapat dilihat
bahwa lapisan bond coat NiAl yang terbentuk memiliki ketebalan yang hampir seragam ± 40 µm. Pada sampel ini kemudian dikenakan tes oksidasi pada udara statik bertemperatur 1150oC selama 100 jam.
4.2. Analisis struktur mikro substrat-bond coat-TGO
Gambar 5 dan 6 menunjukkan penampang lintang dan profil konsentrasi elemen kimia dari sampel dengan lapisan NiAl setelah dilakukan tes oksidasi pada temperatur 1150oC selama 100 jam. Dari Gambar 5 dapat dilihat bahwa sampel dibagi menjadi 4 daerah analisis, yaitu masing-masing poin 1, 2, 3 dan 4. Dimana poin 4 menunjukkan substrat CoCrNi. Dari gambar tersebut, juga dapat dilihat bahwa pada daerah interdiffusion zone tepatnya di sepanjang interface lapisan bond coat-substrat terdapat bintik-bintik alumina yang sering dikenal sebagai alumina inclusions dan juga timbul void-void disepanjang interface ini. Timbulnya void-void pada
interface ini sangatlah tidak diinginkan, karena
void-void tersebut dapat menjadi sumber kegagalan sistem TBC (spallation).
Gambar 3. Binary phase diagram Ni-Al
Gambar 4. Hasil Pelapisan NiAl Pada Paduan Logam Berbasis Co
Penelitian tentang mekanisme terbentuknya void-void baik disepanjang interface bond coat -substrat, substrat-TGO maupun TGO-top coat terus dilakukan, diantaranya dilakukan oleh Yanar N. M. (2002), yang menyatakan bahwa mekanisme terbentuknya void merupakan suatu proses yang kompleks dan hal ini harus dicegah sedini guna menghindari kerusakan secara katastropik. Sedangkan untuk mekanisme terbentuknya void pada kasus ini dapat dijelaskan berdasarkan atas informasi yang didapat dari Gambar 5 dan 6.
Gambar 6. Profil Konsentrasi Elemen Kimia Sample dengan Lapisan NiAl Sesudah 100 Jam Tes Oksidasi pada 1150 oC
Dari Gambar 6 diketahui bahwa selama tes oksidasi berlangsung terjadi mekanisme interdiffusi (Kirkendall Effect) disepanjang interface bond coat -substrat, terutama antara Co yang berasal dari substrat dan Al yang berasal dari lapisan bond coat.
Dimana laju difusi Co ke arah bond coat lebih cepat dibandingkat laju difusi Al ke arah substrat. Di samping itu, seperti telah dijelaskan pada dasar teori di atas bahwa Al yang berasal dari lapisan bond coat
tidak hanya berdifusi ke arah substrat namun demikian juga berdifusi ke arah permukaan membentuk lapisan protektif alumina Al2O3 (TGO).
Dengan demikian jumlah Al pada lapisan bond coat
akan berkurang seiring dengan proses difusi-interdifusi ini. Lapisan protektif alumina yang terbentuk dapat ditunjukkan pada Poin 1 (Gambar 5.). Dari gambar tersebut terlihat bahwa lapisan terbentuk setelah tes oksidasi memiliki ketebalan yang tidak seragam, antara 1-20 µm.
Akibat adanya proses diffusi-interdiffusi komponen-komponen disepanjang interface bond
coat-substrat dan selama pembentukan lapisan
protektif alumina Al2O3, menyebabkan terbentuknya
fase baru -NiAl (Poin 2) diantara interface lapisan
bond coat-substrat dan interface bond coat-TGO
yang pada awalnya semuanya berphase -NiAl (Poin 3). Adanya perubahan phase dalam sistem TBC akibat proses difusi-interdifusi, mengakibatkan adanya perbedaan densitas dan koefisien thermal ekspansi pada setiap lapisan serta menyebabkan timbulnya stress concentration disepanjang interface
bond coat-substrat yang berlanjut pada timbulnya
void-void di sepanjang interface tersebut. 5.Penutup
5.1.Kesimpulan
Dari hasil analisis mikrostruktur setelah dilakukan tes oksidasi pada temperatur 1150oC selama 100 jam pada lapisan bond coat NiAl
Thermal Barrier Coating yang dideposisikan pada
paduan logam berbasis kobalt Co (CoCrNi) dengan
menggunakan gabungan metoda electroplating dan
pack-cementation diketahui bahwa :
1.Timbulnya void-void dan alumina inclusions
disepanjang interface bond coat-substrat;
2.Adanya perubahan phase dari NiAl menjadi -NiAl disepanjang interface bond coat-TGO dan
bond coat-substrat;
3.Lapisan protektif alumina Al2O3 yang terbentuk
memiliki ketebalan yang tidak seragam. 5.2.Saran
Untuk penelitian kedepan, diharapkan dapat meminimalkan atau menghilangkan void-void disepanjang interface bond coat-substrat dengan cara memberikan peperintang difusi yang dapat mengendalikan proses difusi-interdifusi komponen-komponen di dalam sistem TBC.
Daftar Pustaka
[1] Brian S. Tryon, 2005, Multi-Layer Ruthenium-Containing Bond Coats for Thermal Barrier Coatings, Doctoral Thesis, Material Science and Engineering, The University of Michigan.
[2] Chen M. W., dkk., 2003, Characterization and Modeling of a Martensitic Transformation in a Platinum Modified Diffusion Aluminide Bond Coat for Thermal Barrier Coatings, Acta Materialia 51 (2003) 4279-4294, available at www.actamat-journals.com
[4] Hengbei Zhao, dkk., 2006, Morphology and Thermal Conductivity of Ytria-Stabilized Zirconia Coatings, Acta Materialia 54 (2006) 5195-5207, available at www.actamat-journals.com
[5] Hutchinson R. G., dkk., 2006, A Sintering Model for Thermal Barrier Coatings, Acta Materialia 54 (2006) 1297-1306, available at www.actamat-journals.com
